Взаимодействие гамма-излучения с веществом. 
Определение коэффициентов поглощения гамма-излучения веществом и оценка энергии гамма-квантов

Лабораторная работа

Взаимодействие гамма-излучения с веществом. Определение коэффициентов поглощения гамма-излучения веществом и оценка энергии гамма-квантов

Цели и задачи работы

Ознакомиться с основами эксперимента по изучению взаимодействия гамма-излучения с веществом и измерению характеристик ослабления потока гамма-квантов при прохождении через вещество (линейный и массовый коэффициенты поглощения, эффективное сечение поглощения). Оценить величины эффективных сечений поглощения гамма-излучения применяемого радиоактивного источника для некоторых веществ, а затем определить энергию гамма-квантов этого источника по известной для этих веществ экспериментальной зависимости этих сечений от энергии гамма-излучения.

План

1. Провести измерения величин I₀ и I_фон с заданной статистической погрешностью.

2. Провести измерения зависимости I(d) с заданной статистической погрешностью для определённого преподавателем набора образцов различных веществ известной толщины d.

3. Определить линейный и массовый М коэффициенты ослабления — излучения, а также величину микроскопического эффективного сечения взаимодействия излучения с веществом для каждого из исследуемых веществ. Дать сравнительную оценку их защитных свойств по отношению к данному излучению.

4. Пo табл. приложения определить энергию — излучения исследуемого радиоактив. изотопа.

5. Привести соображения по наличию, степени важности, путям устранения различных систематических погрешностей в данном эксперименте.

Экспериментальная часть

Определим интенсивность регистрируемых импульсов по формуле

I = N/t,

где N — число сигналов (импульсов), зарегистрированных пересчеткой за некоторое, выбранное экспериментатором время t от момента нажатия на кнопку «Пуск».

Мы видим, что среднее значение приблизительно равное значению при времени 40/4.

Определим приближённо (грубо) интенсивность регистрируемого «фона» данного счётчика по одному — двум коротким (время экспозиции 10 — 20 с) измерениям. Отметим, что полученное значение «фона» не является объективной характеристикой этой величины (зависит от конкретного датчика и свойств установки в целом).

U= 420 B

Получив у преподавателя радиоактивный источник для данной лабораторной работы, коллиматор и набор поглотителей преступим выполнять пункт 1.

Провести измерения величин I₀ и I_фон с заданной статистической погрешностью.

Время одного измерения и количество измерений выбрать таким, чтобы средняя статистическая погрешность определения интенсивностей I₀ и I_фон не превышала заданной величины, например, относительная погрешность была не более 2%. Абсолютная ошибка (погрешность) ? измерения любой дискретной случайной величины, (например N — число импульсов, отсчитанных пересчеткой за определённое время, выбранное экспериментатором), распределение которой есть распределение Пуассона, соответствует дисперсии распределения и равно в данном случае ? = = N^½ (см. лаб. раб. № 4). Относительная ошибка этого измерения д = (УN_i)^-½.

Измеренная величина I_фон существенно превышает оценку «фона» данного счётчика, полученную выше, так как наличие радиоактивного источника, даже перекрытого по направлению к счётчику толстым слоем поглощающего вещества, не исключает попадания в счётчик комптоновски рассеянных в окружающих установку телах гамма-квантов источника, вылетающих из него вбок и вниз, где у источника нет «толстой защиты». Защитные свойства самого коллиматора также могут оказаться недостаточными.

Провести измерения зависимости I (d) с заданной статистической погрешностью для определённого преподавателем набора образцов различных веществ известной толщины d.

Время одного измерения и количество измерений выбрать таким, чтобы средняя статистическая погрешность определения интенсивностей I(d) не превышала заданной величины, например, относительная погрешность была не более 2% (дополнительно уточнить у преподавателя). Погрешностью в определении времени (по секундомеру часов) пренебречь.

Алюминий толщиной 5 мм

t=60

Алюминий толщиной 10 мм

Алюминий толщиной 15 мм

Графит толщиной 17 мм

График зависимости I (d) с заданной статистической погрешностью для определённого преподавателем набора образцов различных веществ известной толщины d.

Определить линейный и массовый М коэффициенты ослабленияизлучения, а также величину микроскопического эффективного сечения взаимодействия излучения с веществом для каждого из исследуемых веществ. Дать сравнительную оценку их защитных свойств по отношению к данному излучению.

Фотоэффект — процесс поглощениякванта атомом, сопровождающийся вылетом электрона атомной оболочки за пределы атома (и за пределы вещества при внешнем фотоэффекте). Энергия кванта расходуется на работу по разрыву связи электрона с ядром атома и на сообщение кинетической энергии этому электрону, покидающему атом.

Результаты лабораторной работы

погрешность радиоактивный изотоп

Вывод: в данной работе мы ознакомились с основами эксперимента по изучению взаимодействия гамма-излучения с веществом и измерения характеристик ослабления потока гамма-квантов при прохождении через вещество (линейный и массовый коэффициенты поглощения, эффективное сечение поглощения). Гамма-излучение — это «жесткое» электромагнитное излучение, испускаемое атомными ядрами при разрядке возбужденных ядерных энергетических уровней. Интенсивность I параллельного пучка излучения (в данной лабораторной работеквантов) определяется плотностью потока излучения, т. е. числом квантов, проходящих в единицу времени через единичную площадку, нормальную к направлению пучка.

Установили все зависимости интенсивности счета от толщины поглотителя I (d). Во всех измерениях относительная ошибка не превышала 2%, а была в пределах 1,04−1,43%. В пунктах 1 и 2 время каждого замера было равным 60 с. Полную толщину образца поглотителя мы определяли с помощью формулы = (1/d)· ln (I₀/I). Далее мы выяснили массовый коэффициент ослабления потока излучения М = /. Введенные в рассмотрение коэффициенты ослабления излучения и М зависят не только от количества поглощающих (рассеивающих) частиц в образце (на единицу длины или единицу площади соответственно), но и от свойств взаимодействия кванта данной энергии с одной частицей (атомом, электроном). Поскольку взаимодействия разных атомов вещества с гамма-квантами потока излучения независимы друг от друга, то на основании теории вероятностей, макроскопическое эффективное сечение является суммой микроскопических эффективных сечений взаимодействия для отдельного атома этого вещества. Величина микроскопического эффективного сечения взаимодействия излучения с веществом = (•A)/ (· N_A) или = (М A)/N_A. Посчитав все неизвестные величины мы перешли к пункту 5, где обратившись к приложению зависимости микроскопического эффективного сечения у (барн / атом) взаимодействия г-квантов с веществом от энергии квантов E_г для некоторых веществ определили энергиюизлучения исследуемого радиоактивного изотопа.

На счет соображений по наличию, степени важности, путем устранения различных систематических погрешностей в данном эксперименте можно сказать, что систематической погрешностью называется составляющая погрешности измерения, остающаяся постоянной или закономерно меняющаяся при повторных измерениях одной и той же величины. При этом предполагается, что систематические погрешности представляют собой определенную функцию неслучайных факторов, состав которых зависит от физических, конструкционных и технологических особенностей средств измерений, условий их применения, а также индивидуальных качеств наблюдателя. Это значит, что в любом эксперименте будет иметь место погрешность, наша задача приблизить её к минимальному значению. Более точно засекать время, аккуратно обращаться с приборами и также не мало важно что бы сами приборы давали верные значения.